Черный кремний - Black silicon

Черный кремний это полупроводниковый материал, модификация поверхности кремний с очень низким отражательная способность и соответственно высокий поглощение видимых (и инфракрасный ) свет. Модификация была обнаружена в 1980-х годах как нежелательный побочный эффект реактивное ионное травление (RIE).[1][2] Другие методы формирования подобной структуры включают электрохимическое травление, травление пятен, химическое травление с помощью металла и лазерную обработку (которая разработана в Эрик Мазур лаборатория в Гарвардский университет ), и Кембриджский процесс FFC (процесс электрохимического восстановления).[3] Черный кремний стал важным активом солнечная фотоэлектрическая промышленность, поскольку она позволяет свет к электричество преобразование эффективность[4] стандартного кристаллические кремниевые солнечные элементы, что значительно снижает их затраты.[5]

Свойства

Сканирующая электронная микрофотография черного кремния, произведенного RIE (процесс ASE)
SEM микрофотография черного кремния, образованного криогенным РИЭ. Обратите внимание на гладкие наклонные поверхности, в отличие от волнистых боковин, полученных с помощью технологии Bosch RIE.

Черный силикон - это игольчатая структура поверхности, в которой иглы сделаны из монокристаллический кремний и иметь высоту более 10 мкм и диаметр менее 1 мкм.[2] Его главная особенность - повышенное поглощение падающего света - высокий коэффициент отражения кремния, который обычно составляет 20–30% для квазинормального падения, снижается примерно до 5%. Это связано с образованием так называемой эффективной среды.[6] иглами. Внутри этой среды нет резкой границы раздела, но постоянное изменение показатель преломления что уменьшает Отражение Френеля. Когда глубина градиентного слоя примерно равна длине волны света в кремнии (примерно четверть длины волны в вакууме), отражение уменьшается до 5%; более глубокие сорта дают кремний еще более черного цвета.[7] Для низкого коэффициента отражения наноразмерные элементы, образующие слой с градиентным индексом, должны быть меньше длины волны падающего света, чтобы избежать рассеяния.[7]

СЭМ-фотография черного кремния со скошенными наноконусами, полученная с помощью наклонно-углового RIE.

Приложения

Необычные оптические характеристики в сочетании с полупроводниковыми свойствами кремния делают этот материал интересным для сенсорных приложений. Возможные варианты применения:[8]

Производство

Реактивное ионное травление

Сканирующая электронная микрофотография одиночной «иглы» из черного кремния, произведенной RIE (процесс ASE).

В полупроводниковой технологии реактивно-ионное травление (RIE) - это стандартная процедура для изготовления траншей и ям глубиной до нескольких сотен микрометров и очень высоким соотношением сторон. В процессе RIE Bosch это достигается путем многократного переключения между травлением и пассивацией. При использовании криогенного RIE низкая температура и газообразный кислород обеспечивают пассивирование боковой стенки за счет образования SiO
2, легко удаляется снизу направленными ионами. Оба метода RIE могут производить черный кремний, но морфология полученной структуры существенно отличается. Переключение между травлением и пассивацией процесса Bosch создает волнистые боковые стенки, которые видны также на сформированном таким образом черном силиконе.

Однако во время травления на подложке остается мелкий мусор; они маскируют ионный пучок и создают структуры, которые не удаляются, а на следующих этапах травления и пассивации образуются высокие кремниевые столбики.[21] Процесс можно настроить так, чтобы на площади в один квадратный миллиметр образовывался миллион игл.[14]

Метод Мазура

В 1999 г. Гарвардский университет группа во главе с Эрик Мазур разработали процесс, в котором черный кремний производился путем облучения кремния фемтосекунда лазерные импульсы.[22] После облучения в присутствии газа, содержащего гексафторид серы и другие присадки поверхность кремния образует самоорганизованный микроскопическая структура конусов микрометровых размеров. Полученный материал обладает многими замечательными свойствами, такими как абсорбция, которая распространяется на инфракрасный диапазон, ниже запрещенная зона кремния, включая длины волн, для которых обычный кремний прозрачен. атомы серы прижимаются к поверхности кремния, создавая структуру с более низким запрещенная зона и, следовательно, способность впитывать дольше длины волн.

Черный силикон без специальной газовой среды - лабораторный LP3-CNRS

Подобная модификация поверхности может быть достигнута в вакууме с использованием того же типа лазера и условий лазерной обработки. В этом случае отдельные силиконовые конусы не имеют острых концов (см. Изображение). Отражательная способность такой микроструктурированной поверхности очень низкая, 3–14% в спектральном диапазоне 350–1150 нм.[23] Такому снижению отражательной способности способствует геометрия конуса, которая увеличивает внутренние отражения света между ними. Следовательно, возможность поглощения света увеличивается. Прирост поглощения, достигнутый при текстурировании fs-лазером, был выше, чем при использовании метода щелочного химического травления.[24] который является стандартным промышленным подходом к текстурированию поверхности пластин монокристаллического кремния в солнечная батарея изготовление. Такая модификация поверхности не зависит от локальной кристаллической ориентации. Эффект равномерного текстурирования может быть достигнут по всей поверхности мультикристаллический кремний вафля. Очень крутые углы уменьшают отражение почти до нуля, а также увеличивают вероятность рекомбинации, не позволяя использовать его в солнечных элементах.

Нанопоры

Когда смесь нитрат меди, фосфористая кислота, фтороводород и вода наносятся на кремниевую пластину, фосфористая кислота сокращение восстанавливает ионы меди до наночастицы меди. Наночастицы притягивают электроны с поверхности пластины, окисляя ее и позволяя фтористому водороду прожигать нанопоры в форме перевернутой пирамиды в кремнии. В результате были получены поры размером всего 590 нм, которые пропускали более 99% света.[25]


Химическое травление

Черный кремний также можно получить путем химического травления с использованием процесса, называемого Химическое травление с использованием металла (MACE).[26][27][28] Этот процесс также иногда называют Металл-вспомогательное химическое травление (MacEtch). Он стоит меньше, чем другие методы, но по состоянию на 2018 год не имеет такой высокой производительности, как RIE.

Функция

Когда материал смещен на небольшой электрическое напряжение, поглощенный фотоны способны взволновать десятки электроны. Чувствительность детекторов из черного кремния в 100–500 раз выше, чем у необработанного кремния (обычного кремния) как в видимом, так и в инфракрасном спектрах.[29][30]

Группа из Национальной лаборатории возобновляемой энергии сообщила о черных кремниевых солнечных элементах с эффективностью 18,2%.[17] Эта черная силиконовая антибликовая поверхность была сформирована методом металлического травления с использованием наночастиц серебра. В мае 2015 г. исследователи из Финляндия с Университет Аалто, работая с исследователями из Universitat Politècnica de Catalunya объявили, что создали черные кремниевые солнечные элементы с эффективностью 22,1%[31][32] нанесением на наноструктуры тонкой пассивирующей пленки путем Осаждение атомного слоя, и интегрируя все металлические контакты на задней стороне ячейки.

Команда под руководством Елены Ивановой на Технологический университет Суинберна в Мельбурн открыт в 2012 году[33] это цикада крылья были мощными убийцами Синегнойная палочка, оппортунистический микроб, который также заражает людей и становится устойчив к антибиотикам Эффект исходил от равномерно расположенных «наностолбиков», на которых бактерии разрезались в клочья по мере их оседания на поверхности.

И крылья цикады, и черный силикон были протестированы в лаборатории, и оба оказались бактерицидными. Гладкие на ощупь поверхности были разрушены. Грамотрицательный и Грамположительные бактерии, а также бактериальные споры.

Три вида бактерий-мишеней P. aeruginosa, Золотистый стафилококк и Bacillus subtilis, обширный почвенный росток, двоюродный брат сибирская язва.

Уровень гибели составлял 450 000 бактерий на квадратный сантиметр в минуту в течение первых трех часов воздействия, что в 810 раз превышает минимальную дозу, необходимую для заражения человека. S. aureus, и в 77 400 раз больше, чем P. aeruginosa. Хотя позже было доказано, что протокол количественной оценки, проведенный командой Ивановой, не подходит для такого рода антибактериальных поверхностей.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Jansen, H; Бур, М. де; Легтенберг, Р. Элвенспук, М. (1995). «Метод черного кремния: универсальный метод определения параметров установки реактивного ионного травления на основе фтора при глубоком травлении канавок кремния с контролем профиля». Журнал микромеханики и микротехники. 5 (2): 115–120. Bibcode:1995JMiMi ... 5..115J. Дои:10.1088/0960-1317/5/2/015.
  2. ^ а б c Черный кремний[постоянная мертвая ссылка ] как функциональный слой микросистемной технологии
  3. ^ а б Лю, Сяоган; Коксон, Пол; Петерс, Мариус; Хоекс, Брэм; Коул, Жаклин; Бой, Дерек (2014). «Черный кремний: методы производства, свойства и применение солнечной энергии». Энергетика и экология. 7 (10): 3223–3263. Дои:10.1039 / C4EE01152J.
  4. ^ Алькубилла, Рамон; Гарин, Мойзес; Калле, Эрик; Ортега, Пабло; Гастроу, Гийом фон; Репо, Пяйвикки; Савин, Хеле (2015). «Черные кремниевые солнечные элементы с встречно-штыревыми обратными контактами достигают эффективности 22,1%». Природа Нанотехнологии. 10 (7): 624–628. Bibcode:2015НатНа..10..624С. Дои:10.1038 / nnano.2015.89. ISSN  1748-3395. PMID  25984832.
  5. ^ Пирс, Джошуа; Савин, Хеле; Пасанен, Тони; Лайне, Ханну; Моданезе, Кьяра; Моданезе, Кьяра; Laine, Hannu S .; Pasanen, Toni P .; Савин, Хеле (2018). «Экономические преимущества сухого травления черного кремния при производстве фотоэлектрических элементов с пассивированным задним эмиттером (PERC)». Энергии. 11 (9): 2337. Дои:10.3390 / en11092337.
  6. ^ К. Так Чой (1999). Теория эффективной среды: принципы и приложения. Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-851892-1.
  7. ^ а б Branz, H.M .; Yost, V.E .; Ward, S .; К, Б .; Джонс, К .; Страдиньш, П. (2009). «Наноструктурированный черный кремний и оптическое отражение поверхностей с градиентной плотностью». Appl. Phys. Латыш. 94 (23): 231121–3. Bibcode:2009АпФЛ..94в1121Б. Дои:10.1063/1.3152244.
  8. ^ Карстен Мейер: «Черный кремний: сенсорный материал будущего?» Heise Online. 5 февраля 2009 г.
  9. ^ Койнов, Святослав; Brandt, Martin S .; Штутцманн, Мартин (2006). «Черные неотражающие кремниевые поверхности для солнечных элементов» (PDF). Письма по прикладной физике. 88 (20): 203107. Bibcode:2006АпФЛ..88т3107К. Дои:10.1063/1.2204573. Архивировано из оригинал (PDF) 24 июля 2011 г.
  10. ^ Койнов, Святослав; Brandt, Martin S .; Штутцманн, Мартин (2007). «Черные многокристаллические кремниевые солнечные элементы» (PDF). Physica Status Solidi RRL. 1 (2): R53. Bibcode:2007ПССРР ... 1р..53К. Дои:10.1002 / pssr.200600064. Архивировано из оригинал (PDF) 24 июля 2011 г.
  11. ^ Гейл Овертон: Терагерцовая технология: черный кремний излучает терагерцовое излучение. В:Laser Focus World, 2008
  12. ^ Чэн-Сянь Лю: Формирование нанопор и наностолбиков кремния методом глубокого реактивного ионного травления без маски[постоянная мертвая ссылка ], 11 ноя 2008 г.
  13. ^ Чжиюн Сяо; и другие. (2007). «Формирование кремниевых нанопор и наностолбиков методом глубокого реактивного ионного травления без маски». ДАТЧИКИ 2007 - 2007 Международная конференция по твердотельным датчикам, исполнительным элементам и микросистемам - Формирование кремниевых нанопор и наностолбиков с помощью безмаскового процесса глубокого реактивного ионного травления. С. 89–92. Дои:10.1109 / ДАТЧИК.2007.4300078. ISBN  978-1-4244-0841-2.
  14. ^ а б Мартин Шефер: Липучка в миниатюре - «силиконовая трава скрепляет микрокомпоненты» В архиве 24 июля 2011 г. Wayback Machine В: wissenschaft.de. 21 июня 2006 г.
  15. ^ Бранц, Ховард М .; Юань, Хао-Чжи; О, Джихун (2012). «Черный кремниевый солнечный элемент с КПД 18,2% достигается за счет управления рекомбинацией носителей в наноструктурах». Природа Нанотехнологии. 7 (11): 743–748. Bibcode:2012НатНа ... 7..743О. Дои:10.1038 / nnano.2012.166. ISSN  1748-3395. PMID  23023643.
  16. ^ Черный кремний возвращается - и дешевле, чем когда-либо, 7 сентября 2010 г.
  17. ^ а б О, Дж .; Юань, Х.-К .; Бранц, Х. (2012). «Механизмы рекомбинации носителей в наноструктурированных солнечных элементах с большой площадью поверхности путем исследования черных кремниевых солнечных элементов с КПД 18,2%». Природа Нанотехнологии. 7 (11): 743–8. Bibcode:2012НатНа ... 7..743О. Дои:10.1038 / nnano.2012.166. PMID  23023643.
  18. ^ «Черный кремний кусочками и кубиками бактерий». Gizmag.com. Получено 29 ноябрь 2013.
  19. ^ Сюй, Чжида; Цзян, Цзин; Гартия, Манас; Лю, Логан (2012). «Монолитная интеграция наклонных кремниевых наноструктур на трехмерных микроструктурах и их применение в спектроскопии комбинационного рассеяния с усилением поверхности». Журнал физической химии C. 116 (45): 24161–24170. arXiv:1402.1739. Дои:10.1021 / jp308162c.
  20. ^ Лю, Сяо-Лун; Чжу, Су-Ван; Сунь, Хай-Бин; Ху, Юэ; Ма, Шэн-Сян; Нин, Си-Цзин; Чжао, Ли; Чжуан, июнь (17 января 2018 г.). ""Бесконечная чувствительность «черного кремниевого датчика аммиака, достигаемая с помощью двойных оптических и электрических приводов». ACS Appl. Mater. Интерфейсы. 10 (5): 5061–5071. Дои:10.1021 / acsami.7b16542. PMID  29338182.
  21. ^ Майк Штубенраух, Мартин Хоффманн, Siliziumtiefätzen (DRIE)[постоянная мертвая ссылка ], 2006
  22. ^ Возникает Уильям Дж. Кроми:Черный кремний - новый способ улавливать свет В архиве 13 января 2010 г. Wayback Machine.В:Harvard Gazette.9 декабря 1999 г., по состоянию на 16 февраля 2009 г.
  23. ^ Торрес, Р., Вервиш, В., Хальбвакс, М., Сарнет, Т., Делапорте, П., Сентис, М., Феррейра, Дж., Баракель, Д., Бастид, С., Торрегроса, Ф., Этьен, Х., Ру, Л., «Текстуризация фемтосекундным лазером для улучшения фотоэлектрических элементов: черный кремний», Журнал оптоэлектроники и перспективных материалов, Том 12, № 3, стр. 621–625, 2010 г.
  24. ^ Сарнет, Т., Торрес, Р., Вервиш, В., Делапорте, П., Сентис, М., Халбвакс, М., Феррейра, Дж., Баракель, Д., Паскуелли, М., Мартинуцци, С., Escoubas, L., Torregrosa, F., Etienne, H., and Roux, L., «Черный кремний, последние усовершенствования для фотоэлектрических элементов», Труды Международного конгресса по применению лазеров и электрооптики, 2008 г.
  25. ^ Уильямс, Майк (18 июня 2014 г.). «Один шаг к эффективности солнечных батарей». Rdmag.com. Получено 22 июн 2014.
  26. ^ Сюй, Чи-Хунг; Ву, Цзя-Рен; Лу, Йен-Тянь; Флуд, Деннис Дж .; Barron, Andrew R .; Чен, Лунг-Чиен (1 сентября 2014 г.). «Производство и характеристики черного кремния для солнечных батарей: обзор». Материаловедение в обработке полупроводников. 25: 2–17. Дои:10.1016 / j.mssp.2014.02.005. ISSN  1369-8001.
  27. ^ Койнов, Святослав; Brandt, Martin S .; Штутцманн, Мартин (2007). «Черные многокристаллические кремниевые солнечные элементы». Physica Status Solidi RRL. 1 (2): R53 – R55. Bibcode:2007ПССРР ... 1р..53К. Дои:10.1002 / pssr.200600064. ISSN  1862-6270.
  28. ^ Чен, Кэсюнь; Чжа, Цзявэй; Ху, Фенцинь; Е, Сяоя; Цзоу, Шуай; Vähänissi, Ville; Пирс, Джошуа М .; Савин, Хеле; Су, Сяодун (1 марта 2019 г.). "Нанотекстурный процесс MACE применим как для монокристаллических, так и для многокристаллических кремниевых солнечных элементов, пропиленных алмазной проволокой" (PDF). Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы. 191: 1–8. Дои:10.1016 / j.solmat.2018.10.015. ISSN  0927-0248.
  29. ^ Уэйд Руш: "SiOnyx приносит" черный кремний "в свет; материал может перевернуть солнечную энергетику и отрасли обработки изображений". В: Xconomy. 10 декабря 2008 г.
  30. ^ «Черный кремний» Новый тип кремния обещает более дешевые и более чувствительные детекторы света, Обзор технологий в Интернете. 29 октября 2008 г.
  31. ^ «Рекорд эффективности черных кремниевых солнечных элементов подскочил до 22,1%».
  32. ^ Савин, Хеле; Репо, Пяйвикки; фон Гастров, Гийом; Ортега, Пабло; Калле, Эрик; Гарин, Мойзес; Алькубилла, Рамон (2015). «Черные кремниевые солнечные элементы с встречно-штыревыми обратными контактами достигают эффективности 22,1%». Природа Нанотехнологии. 10 (7): 624–628. Bibcode:2015НатНа..10..624С. Дои:10.1038 / nnano.2015.89. PMID  25984832.
  33. ^ Елена Петровна Иванова; Джафар Хасан; Хайден К. Веб; Ви Кхан Чуон; Грегори С. Уотсон; Иоланта А. Уотсон; Владимир А. Баулин; Сергей Погодин; Джеймс Й. Ван; Марк Дж. Тоби; Кристиан Лёббе; Рассел Дж. Кроуфорд (20 августа 2012 г.). «Природные бактерицидные поверхности: механический разрыв Синегнойная палочка Клетки от Cicada Wings ». Маленький. 8 (17): 2489–2494. Дои:10.1002 / smll.201200528. PMID  22674670.

внешние ссылки